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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Apparate zum Messen und betrifft insbesondere ein Verfahren und einen Apparat zum Messen von Geradheitsfehlern an Elementen mit länglicher Form, wie typischerweise Stangen, Stäbe oder Rohre. Vorzugsweise handelt es sich um Elemente aus metallischen Werkstoffen, bei denen die Messung während ihres Produktionszyklus erfolgt.
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Hintergrund der Erfindung
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Im Bereich der Herstellung von Stäben, insbesondere aus metallischen Werkstoffen und speziell im Bereich des Ziehens von Messing-, Aluminium- und Stahlwerkstoffen, sind Verfahren bekannt, um die Geradheit des Endprodukts zu messen und das Vorhandensein von Geradheitsfehlern in dem stab- oder ähnlichförmigen Produkt, auch als Verwölbung bezeichnet, zu bestimmen. Mit anderen Worten: Es muss festgestellt werden, ob der zu prüfende Stab Geradheitsfehler aufweist, also ob er nicht gerade ist, sondern eine oder mehrere Krümmungen entlang seiner Längsachse aufweist, und diese Fehler müssen gemessen werden, um festzustellen, ob der Stab den vorgegebenen Qualitätsstandards entspricht oder nicht.
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Nach einer herkömmlichen Methode wird der Geradheitsfehler gemessen, indem der zu prüfende Stab auf zwei Auflager gelegt und um 360° gedreht wird, wobei mit einer Messuhr auf Höhe eines ausgewählten Abschnitts, typischerweise in der Mitte zwischen den beiden Auflagern, die maximale Änderung der Höhe des Punktes, der der oberen Mantellinie entspricht, gemessen wird. Der gemessene Wert muss dann durch zwei geteilt werden. Die Grundlage der Messung ist durch den Abstand zum Auflager gegeben. Diese Technik ist zwar sehr genau und wird nicht intrinsisch durch Messfehler beeinträchtigt, die durch die schwerkraftbedingte Verformung des Stabs verursacht werden, aber sie ist äußerst langsam und eignet sich daher nicht für die Einbindung in Produktionslinien mit zu kurzen Zykluszeiten. Insbesondere verarbeiten die aktuellen Produktionsanlagen zum Beispiel in der Messingindustrie Rollen mit einer Geschwindigkeit von etwa 60-120 m/min und produzieren fertige Stäbe mit einer Länge von 3 bis 5 m in einem Takt von 1-3 Sekunden. Im Gegensatz dazu erfordert die oben beschriebene Technik wesentlich längere Messzeiten und wird daher herkömmlich nur für stichprobenartige Kontrollen neben der Produktionslinie eingesetzt.
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Im Laufe der Zeit wurden andere Systeme zum Messen von Welligkeiten des Werkstoffs in der Produktionslinie entwickelt. Diese Systeme verwenden einen oder mehrere Lasersensoren, die den Abstand zwischen dem Stab und einer bekannten Bezugsebene messen und so bestimmte Welligkeitsindizes des Stabs bestimmen. Diese Systeme sind jedoch darauf ausgelegt, die Welligkeit des Werkstoffs zu erfassen, bevor er in Stäbe geschnitten wird, und wegen der Verformungen und Wellen des Werkstoffs, die durch die Geschwindigkeit und das Vorschubsystem verursacht werden, werden sie mit zunehmender Produktionsgeschwindigkeit wenig brauchbar, wenn nicht gar unbrauchbar; darüber hinaus messen solche Systeme das noch nicht in Stäbe geschnittene und einer Längszugkraft ausgesetzte Material, und berücksichtigen daher nicht die Auswirkungen des Schneidprozesses auf das fertige Produkt und können keinen Hinweis auf die Auswirkung der Restspannung im Werkstoff, der den Stab infolge des Schneidprozesses verformen kann, geben.
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Andere Messsysteme zum Schätzen der Werkstoffkrümmung verwenden mehrere Kontaktsensoren, die an eine geeignete Rollebene gekoppelt sind, haben aber den Nachteil, dass sie nur unter gut kontrollierten Messbedingungen einsetzbar sind und sich nur schwer an die Messung von Stäben mit einem nicht-runden Querschnitt anpassen lassen. Außerdem führen diese Systeme häufig zu Messfehlern, die zum Beispiel durch unvorhersehbare Reibung und Rollen des Werkstoffs, durch mechanisches Setzen oder durch Verschleiß der Bauteile verursacht werden; daher sind auch diese Systeme für Messkontrollen in der Produktionslinie nur bedingt geeignet. Darüber hinaus messen diese Systeme auch Größen, die mit dem Geradheitsfehler des Materials zusammenhängen, aber es handelt sich dabei immer um indirekte Messungen, die daher nicht in der Lage sind, das tatsächliche Maß des Geradheitsfehlers des Materials präzise zu liefern.
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Es wurden auch Vorrichtungen mit optischen Sensoren vorgeschlagen, die jedoch keine zufriedenstellenden Ergebnisse in Bezug auf die Präzision und Genauigkeit der Messung liefern; insbesondere bietet keine der derzeit bekannten Lösungen eine Kompensation der Messfehler, die durch die schwerkraftbedingte Verformung des Stabs verursacht werden, und die umso größer werden können, je dünner und biegbarer der Werkstoff ist.
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Das Dokument
WO2006138228 A1 betrifft beispielsweise einen Apparat zum Messen von Geradheitsfehlern von Stäben, bei dem eine Folge von Bildpaaren an mindestens drei verschiedenen Querschnitten eines Stabs aufgenommen wird, um die Position der Mitte jedes Querschnitts zu schätzen. Vorzugsweise wird das Bildpaar aus Richtungen aufgenommen, die rechtwinklig oder jedenfalls in einem Winkel zueinander stehen. In jedem Fall ist an jedem Stabquerschnitt, an dem die Messung vorgenommen werden soll, ein Sensorpaar erforderlich, was eine große Anzahl von Messsensoren erforderlich macht, mindestens sechs Sensoren bei einer Mindestkonfiguration für eine nicht ausgesprochen präzise Messung. Darüber hinaus ist keine besonders genaue Schätzung der tatsächlichen Position der Mitte des analysierten Stabquerschnitts möglich, weil nur zwei Messungen für jeden Querschnitt vorliegen. Ferner ist die Bestimmung dieser Mitte nur bei Körpern mit kreisförmigem Querschnitt genau, da die Messung im Wesentlichen auf einer Schattenprojektion und nicht auf der tatsächlichen Vermessung der Geometrie des Werkstoffquerschnitts beruht. Darüber hinaus bietet das System keine Kompensation der Auswirkung der Schwerkraft auf den Stab, sodass es bei schlanken Körpern mit Geometrien, die allein durch die Kraft ihres Eigengewichts leicht verformt werden können, äußerst ungenau ist.
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Das Dokument
JP S6171307 A betrifft ein System zum Messen der Krümmung eines zu messenden Werkstoffs, der überkragend auf einem Paar Rollen aufliegt, mit mindestens drei Paaren von Abstandsdetektoren, die in festgelegten Abständen in Längsrichtung des Werkstoffs angeordnet sind. Die Krümmung des zu messenden Werkstoffs wird aus den von diesen Sensoren gemessenen Abständen berechnet. Zusätzlich zu den gleichen Problemen wie bei dem Apparat nach Dokument
WO2006138228 A1 kann die Tatsache, dass das Rohr überkragend aufliegt, zu zusätzlichen Verbiegungen des Rohrs aufgrund seines Gewichts führen. Außerdem ist ein solches System nur in der Lage, Geradheitsfehler in einer Richtung zu messen, und ist für den Einsatz in der Produktionslinie völlig ungeeignet.
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Das Dokument
EP1447645 A1 schließlich betrifft ein eine Vorrichtung zum Prüfen der Geradheit von länglichen Elementen, wie Stäben, auf der Grundlage des Vergleichs von Bildern, die von mindestens zwei Detektoren aufgenommen wurden. Für die Funktionsweise eines solchen Systems müssen die erfassten Bilder mit Bildern verglichen werden, die dieselbe Vorrichtung von einem Referenzstab aufgenommen hat, von dem man annimmt, dass er frei von Geradheitsfehlern ist. Das System ist also nicht in der Lage zu erkennen, ob der Referenzstab tatsächlich frei von Geradheitsfehlern ist. Außerdem ist ein solches System wenig flexibel, da man für die Beurteilung eines Stabs notwendigerweise ein Bild eines entsprechenden Referenzstabs besitzen muss.
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Neuere Lösungen, wie die in der Patentanmeldung Nr.
EP3093611A2 des Anmelders der vorgeschlagenen Anmeldung vorgeschlagene Lösung, haben sich mit dem Problem der Kompensation der Auswirkungen der Schwerkraft befasst, indem sie auf vorwiegend mechanische Weise über ein Lagersystem des Stabs versuchen, Gegendruck auf den schlanken Messkörper anzuwenden, welche in der Lage sind, die schwerkraftbedingte Verformung des Stabs innerhalb bestimmter Grenzen auszugleichen. Diese Lösungen sind jedoch in der Praxis nur begrenzt anwendbar und erfordern im konkreten Fall eine oft nicht einfache Konfiguration des Lagersystems je nach Länge des Messkörpers; da sie auf einem System des Gleichgewichts von Druck- und Gegendruck auf den Stab beruhen, erfordern diese Lösungen außerdem relativ lange Zeiten, bis der Messkörper in eine still liegende Lage kommt, bevor das Gleichgewicht erreicht ist, das die Messung ermöglicht. Sie sind daher nicht immer mit den Zykluszeiten vereinbar, die bei Produktionsanlagen mit kontinuierlichem Zyklus verfügbar sind.
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Es gibt auch Systeme, bei denen Mittel zum Erfassen des Gewichts eingesetzt werden.
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Konkret ist hier die US-Patentanmeldung Nr.
US 2017/284798 A1 zu nennen, die eine Vorrichtung zum Messen der Geradheit eines stangenförmigen Werkstücks betrifft, die eine Stütze für das Werkstück umfasst, wobei die Stütze mehrere Abschnitte aufweist. Jeder Abschnitt hat eine mit einem Kraftsensor ausgestattete Stützfläche zum Messen der Kraft, die das Werkstück auf die Stützfläche ausübt in einer Richtung, die sich im Wesentlichen quer zur Gravitationsbeschleunigung erstreckt, sodass die Stützabschnitte bewegt werden, um das Gewicht des Werkstücks auszugleichen.
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Das Dokument
JP 2005 300298 A wiederum betrifft ein Instrument zum Messen der Krümmung eines Stabs, das eine Platte mit einer ebenen Oberfläche und eine Vielzahl von Rahmen aufweist, die mit der Platte in einem bestimmten Abstand verbunden sind. Der zu messende Stab wird auf die Rahmen gelegt und gerollt, um die Messung der Krümmung vorzunehmen.
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Aufgabe und Zusammenfassung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung wurde mit dem Ziel entwickelt, die zuvor beschriebenen Nachteile des Stands der Technik zu überwinden, indem ein Apparat und ein zugehöriges Verfahren zum Erfassen und Messen des Geradheitsfehlers von schlanken Körpern, geschnitten in Stangen, Stäbe, Rohre und dergleichen mit unterschiedlichen Längen, bereitgestellt wird, die direkt in Produktionslinien, zum Beispiel in Zieh-, Walz-, Strangpressanlagen usw., eingesetzt werden können.
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Eine weitere Aufgabe besteht darin, einen Apparat und ein Verfahren bereitzustellen, die sich für das Messen des Geradheitsfehlers von schlanken Körpern mit beliebiger Länge und mit einem beliebigen geometrischen Querschnitt eignen, zum Beispiel rund, sechseckig, flach usw.
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Eine weitere Aufgabe ist es, einen Apparat und ein Verfahren bereitzustellen, welche in der Lage sind, die Verformung des schlanken Körpers auszugleichen, die durch die Schwerkraft verursacht wird, die auf ihn wirkt.
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Eine weitere Aufgabe ist es, einen Apparat und ein Verfahren bereitzustellen, die extrem kurze Messzeiten ermöglichen, da keine beweglichen und/oder kippenden und/oder schwimmenden mechanischen Elemente zum Stützen des Stabs vorhanden sind.
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Diese Aufgaben werden mit einen Apparat zum Messen nach Anspruch 1 gelöst, der Geradheitsfehler von schlanken Körpern misst, wie Stäbe, Stangen, Rohre usw., der Einfachheit halber als Stäbe bezeichnet.
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Insbesondere umfasst der Apparat zum Messen
- ein Lagersystem für den Stab mit einer Vielzahl von Lagerelementen, die während des Messzyklus eines jeden Stabes statisch bleiben, auf denen ein Stab derart stillliegend positioniert ist, dass er während des Messzyklus stabil in statischem Gleichgewicht bleibt,
- ein erstes System zum Detektieren der dreidimensionalen Geometrie des Stabs, ein zweites System zum Detektieren der auf den Stab wirkenden Kräfte,
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Mittel zum Erfassen mindestens eines physikalischen Parameters des zu messenden Stabs und
eine Steuer- und Verarbeitungseinheit, die die Daten empfängt und verarbeitet, die von den besagten Detektionssystemen und den Erfassungsmitteln erfasst wurden.
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Das Lagersystem ist also während der Phase der Messung des Stabs statisch, das heißt, die Stützen unterliegen bei keiner Messung irgendeiner Translationsbewegung. Sie können höchstens zwischen verschiedenen Messzyklen relativ zueinander verschoben werden, zum Beispiel, um sie in Abständen je nach Länge und Größe des Stabs anzuordnen. Außerdem und vorzugsweise unterliegt das Lagersystem keinen Schwingungen oder ist jedenfalls nicht kippend. Unter einem Messzyklus sind alle Schritte zu verstehen, die erforderlich sind, um eine Geradheitsmessung eines einzelnen Stabs durchzuführen.
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Vorzugsweise sind den Mitteln zum Erfassen mindestens eines physikalischen Stabparameters Mittel zum Speichern dieses Parameters zugeordnet und insbesondere so aufgebaut, dass sie mindestens den Elastizitätsmodul des zu messenden Stabs erfassen und speichern. Diese Mittel könnten auch andere Parameter wie die Abmessungen, die theoretische Form, die Werkstoffart und die Werkstoffdichte des jeweils zu messenden Stabs erfassen und speichern.
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Vorzugsweise umfassen die Mittel zum Erfassen eines physikalischen Parameters des Stabs eine Schnittstelle mit Mitteln zum Eingeben des oder der betreffenden Werte. Diese Werte können entweder manuell von einem Benutzer eingegeben werden oder sie können, je nach Art der jeweils produzierten Stäbe, von dem Stabherstellungssystem, das der Vorrichtung zum Messen vorgeschaltet ist, an die Erfassungsmittel übermittelt werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Mittel zum Erfassen mindestens eines Parameters physische Mittel umfassen, die geeignet sind, den betreffenden Parameter ausgehend vom Stab selbst zu detektieren und zu berechnen. In einer besonders bevorzugten Form können diese Mittel ein Element umfassen, das Verformungen in dem Stab hervorruft, und Mittel zum Berechnen, um den Elastizitätsmodul des Stabs auf der Grundlage der hervorgerufenen Verformungen abzuleiten. Die Verformung des Stabs kann erhalten werden, indem mindestens ein Lagerelement um bekannte Mengen bewegt wird, zum Beispiel vor Durchführung der Messung, und die verschiedenen Verformungen bei Veränderung der Position des Lagerelements gemessen werden, um den Elastizitätsmodul abzuleiten.
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Vorteilhafterweise erfasst das erste Detektionssystem die Koordinaten einer Vielzahl von Punkten auf der Staboberfläche an einer Vielzahl von Querschnitten des Stabs. Die Steuer- und Verarbeitungseinheit ist programmiert, um ausgehend von den Koordinaten dieser Punkte die Position der tatsächlichen geometrischen Mitte jedes erfassten Querschnitts zu berechnen. Vorzugsweise erfasst das erste Detektionssystem die Koordinaten der Punkte an zumindest drei verschiedenen Querschnitten des Stabs. In einer besonders bevorzugten Lösung werden auch die Positionen der Lagerelemente des Stabs erfasst, und zwar in Bezug auf das Koordinatensystem, das zu dem System zum Erfassen des Verlaufs der Stablängsachse gehört.
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Vorzugsweise misst das zweite Detektionssystem die Kräfte, die von dem Stab auf jedes der Lagerelemente ausgeübt werden, welche den Stab in einer Position begrenzen, und misst insbesondere das Modul und die Richtung der auf den Stab ausgeübten Kraft an jedem dieser Lagerelemente.
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Aus dem geometrischen Verlauf der Stablängsachse, der durch das oben beschriebene erste Detektionssystem erhalten wurde, und den von dem zweiten Detektionssystem an allen auflagerbedingt begrenzenden Positionen des Stabs gemessenen Kraftvektoren, und sobald der Wert von mindestens einem physikalischen Parameter des Stabs bekannt ist, ist die Zentralsteuereinheit des Apparats in der Lage, die tatsächliche Geometrie des Stabs unter den Bedingungen eines beliebigen, auf den Stab einwirkenden Kraftfeldes zu schätzen, und insbesondere auch unter der Bedingung, dass keine äußeren Kräfte einwirken, auch nicht die Schwerkraft, die durch die Eigenmasse des Stabs bestimmt wird; aus dieser geschätzten Geometrie des Stabs kann das Datenerfassungs- und -verarbeitungsmodul den tatsächlichen Geradheitsfehler des zu messenden Stabs berechnen.
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Das erste Detektionssystem umfasst einen oder mehrere vorzugsweise optische Sensoren, der entlang der Stablängsachse bewegt werden kann, um die Koordinaten der Punkte an mindestens drei verschiedenen Querschnitten des Stabs entlang seiner Längsachse zu erfassen; oder es sind mindestens drei optische Sensoren vorgesehen, die jeweils an einem anderen Stabquerschnitt entlang seiner Längsachse angeordnet sind. Die Sensoren können stationär oder beweglich parallel zu dem System zum Stützen des Stabs und der Stablängsachse [angebracht] sein. Vorzugsweise sind für eine möglichst effektive Ermittlung der Stabgeometrie mindestens drei bewegliche Sensoren vorgesehen.
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Eingesetzt werden optische Sensoren der Klasse der optischen Triangulationssysteme mit Laser- oder anderem Licht oder ein beliebiger Messsensor, der in der Lage ist, das zwei- und/oder dreidimensionale geometrische Profil des Stabs zu erfassen, zum Beispiel Messsysteme mit Projektion von strukturiertem Licht, Time-of-Flight-Kameras, stereoskopische Betrachtungssysteme usw.
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Für die lineare Bewegung der optischen Sensoren ist mindestens eine Führung vorgesehen, entlang derer die beweglichen Sensoren mithilfe entsprechender Aktuatoren, die von der Steuereinheit gesteuert werden, in bekannte Positionen verschoben werden können. Alternativ ist der Sensor oder sind die Sensoren fest mit der Führung verbunden, und die Führung selbst verschiebt sich mittels einer zugehörigen Motorisierung. Die Führung kann auch stationär sein und als Träger für stationäre Sensoren dienen.
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Das zweite Detektionssystem, dessen Aufgabe das Messen der Kräfte ist, die der Stab auf jedes Lagerelement ausübt, umfasst eine Vielzahl von zweiten Sensoren, die zur Klasse der Kraftaufnehmer gehören, auch als Lastzellen bekannt, und die biaxiale Aufnehmer oder Kombinationen von monoaxialen Lastzellen sein können.
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Vorteilhafterweise kann die Vorrichtung zum Messen mit einer Stabproduktionsanlage in Reihe geschaltet werden. In diesem Fall verfügt die Zentralsteuereinheit über eine Schnittstelle zu der Produktionsanlage, um auf der Grundlage des jeweils festgestellten Geradheitsfehlers der Stäbe die Produktionsparameter rückkoppelnd anzupassen.
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In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren nach Anspruch 12 zum Messen von Geradheitsfehlern von Elementen mit länglicher Form, als Stäbe definiert, das vorsieht, einen Stab auf einem Lagersystem so zu positionieren, dass er sich während des Messzyklus in einer statischen Gleichgewichtslage befindet, das heißt still, und mit seiner Längsachse entsprechend den Begrenzungen aufliegt, die durch die Lagerelemente des Lagersystems auferlegt sind;
mindestens einen physikalischen Parameter des Stabs, vorzugsweise mindestens den Elastizitätsmodul des Stabs zu erfassen und zu speichern;
mit dem ersten Detektionssystem die Koordinaten einer Vielzahl von Punkten der Oberfläche des Stabs an mindestens drei seiner Querschnitte zu erfassen;
mit dem zweiten Detektionssystem den Kraftvektor zu detektieren, die der Stab an jedem der Lagerelemente ausübt;
die Koordinaten der Stablängsachse an den mindestens drei Querschnitten des Stabs auf der Grundlage der erfassten Koordinaten zu berechnen;
in ein angepasst entwickeltes Modell des Systems die erfassten Bedingungen einzugeben, welche die erfasste Geometrie des Stabs, die erfassten Kräfte, die auf die Lagerelemente wirken, und mindestens einen erfassten physikalischen Parameter des zu messenden Stabs umfassen, um die tatsächliche Eigenform des Stabs zu schätzen, die dem geometrischen Verlauf entspricht, die dieser bei Nichtvorhandensein des Gravitationsfeldes und der auflagerbedingten Begrenzungen aufweisen würde;
diese geschätzte Geometrie zu verwenden, um den Geradheitsfehler des Stabs als Abweichung der theoretischen Achse zu bestimmen, die aus einer oder mehreren geeignet definierten Bezugslinien besteht.
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Vorteilhafterweise misst das zweite Detektionssystem die auf das Lagersystem wirkenden Kräfte des Stabs. Diese Kräfte, die zum Teil durch das Gewicht bedingt sind, das der Stab auf die Lagerelemente überträgt, und zum Teil möglicherweise auf die Anordnung der Lagerelemente selbst zurückzuführen sind, bewirken zusätzlich zu der eigenen Verformung eine vorübergehende Verformung des Stabs, die verschwindet, sobald die Begrenzungen beseitigt sind, durch die diese Verformung verursacht wurde. Das Messverfahren sieht also vor, diese Kräfte zu erfassen, die durch diese verursachte Verformung auf der Grundlage des Elastizitätsmoduls des Stabs zu berechnen und sie von der insgesamt von dem ersten Detektionssystem detektierten Verformung abzuziehen, um das tatsächliche Maß der Eigenverformung des Stabs zu erhalten. Daher ist das Verfahren in der Lage, die durch das Lagersystem verursachten Geradheitsfehler zu kompensieren, also aus der endgültigen Messung zu eliminieren, und so das Maß für den allein durch den Produktionsprozess des Stabs erzeugten Geradheitsfehler zu liefern.
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Vorteilhafterweise wird die Geometrie des Stabs bei Nichtvorhandensein von einwirkenden Kräften mittels der sogenannten „Gleichung der Biegelinie“ geschätzt, die auf verformbare schlanke Körper der hier betrachteten Art anwendbar ist, also auf Körper mit einer Länge, die etwa sechsmal größer ist als ihr Durchmesser; diese Gleichung bezieht sich auf ein Modell eines elastischen Balkens, das es ermöglicht, das Feld der Querverschiebungen des Stabs in Funktion der durch die Achslinie des Balkens angenommenen verformten Konfiguration zu beschreiben. Bei dieser Methode hängt die Verformung des Stababschnitts zwischen zwei Auflagepunkten von verschiedenen Parametern ab, unter anderem von dem Elastizitätsmodul, auch genannt Youngscher Modul, und dem Abstand zwischen den Auflagepunkten.
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Vorzugsweise und als nicht einschränkendes und zwingendes Beispiel kann der Geradheitsfehler als der Abstand zwischen zwei parallelen Geraden bestimmt werden, von denen eine durch die Mitte von zwei Querschnitten und eine durch die Mitte eines dritten Querschnitts zwischen den beiden vorherigen Mitten verläuft. Je größer die Anzahl der Mitten ist, das heißt, je mehr Querschnitte des Stabs vermessen werden, desto genauer wird die Rekonstruktion des Verlaufs der Stablängsachse und desto genauer wird die Fehlerberechnung sein. Der Geradheitsfehler kann über die gesamte Länge des Stabs oder nur über einen oder mehrere Abschnitte von Interesse gemessen werden; die Analyse kann auch mehrmals an benachbarten Abschnitten des Stabs wiederholt werden, um die lokale Nicht-Gradheit zu bestimmen, wie es von einigen Normen der Branche gefordert wird.
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Vorteilhafterweise können die Stäbe nach Umfang des gemessenen Geradheitsfehlers eingestuft und gegebenenfalls von dem Lagersystem je nach Fehlergröße auf unterschiedliche Linien abgeladen werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Übrigen näher erläutert in der nachstehenden Beschreibung, die auf die beigefügten, nicht einschränkenden Zeichnungen Bezug nimmt. In diesen Zeichnungen:
- zeigt 1 ein Blockdiagramm der Vorrichtung zum Messen,
- zeigt 2 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen,
- zeigen die 3a und 3b jeweils perspektivische Ansichten aus verschiedenen Richtungen eines Elements der Vorrichtung zum Messen in 2,
- zeigt 4 ein Blockdiagramm des Messzyklus,
- zeigt 5 ein Beispiel für eine erste Stufe der Berechnung des Geradheitsfehlers und
- zeigt 6 ein Beispiel für eine zweite Stufe der Berechnung des Geradheitsfehlers.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In den besagten Zeichnungen ist mit 1 allgemein eine Vorrichtung zum Messen von Geradheitsfehlern eines Elements mit länglicher Form wie eines Stabs, einer Stange, eines Rohres und dergleichen angegeben, nachstehend der Einfachheit halber als Stab 2 definiert. Der Stab kann einen Querschnitt mit beliebiger Geometrie aufweisen, zum Beispiel kreisförmig, sechseckig, quadratisch usw., eine beliebige Größe haben und aus einem beliebigem Werkstoff, vorzugsweise Metall, bestehen.
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Wie in 1 schematisch dargestellt, umfasst der Apparat zum Messen 1:
- • ein Lagersystem zum Halten des Stabs 3, das während des Messzyklus jedes Stabs statisch bleibt, umfassend eine Vielzahl von festen Lagerelementen 4, auf denen der zu messende Stab stillliegend positioniert ist. Die Lagerelemente können je nach Bedarf zwischen den einzelnen Messungen verschoben werden;
- • ein erstes Detektionssystem 5 zum Detektieren des Verlaufs der Stablängsachse 2, das einen oder mehrere erste Sensoren 6, vorzugsweise optische Sensoren, zum Erfassen der dreidimensionalen Geometrie des zu messenden Stabs umfasst;
- • ein zweites Detektionssystem 7 zum Detektieren der Kräfte, die auf den Stab wirken, das eine Vielzahl von zweiten Sensoren 7A umfasst, die jedem Lagerelement 4 zugeordnet sind und die geeignet sind, die Stärke und die Richtung der Kräfte zu erfassen, die der Stab auf jedes der Lagerelemente ausübt; diese zweiten Sensoren können Lastzellen sein, die jeweils einem entsprechenden Lagerelement zugeordnet sind, und zwar einzeln oder in Kombination mit anderen, um eine höhere Messgenauigkeit zu erreichen. In einer bevorzugten Lösung, die in den 3a und 3b dargestellt ist, sind jedem Lagerelement zwei oder bevorzugt drei der genannten zweiten Sensoren 7A zugeordnet, um die Genauigkeit der Messung zu steigern.
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Jedes Lagerelement 4 kann zusammen mit mindestens einem der ihm zugehörigen Sensoren von den besagten zweiten Sensoren 7A so im Lagersystem 3 angebracht sein, dass es je nach dem zu messenden Stab in eine unterschiedliche Position bewegt und dort angeordnet werden kann.
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Vorzugsweise umfassen die Lagerelemente 4 jeweils eine entsprechende Auflagerolle 4A, sodass der Stab in Längsrichtung frei im Lagersystem gleiten kann, um eine vollkommen uneingeschränkte und von Kräften mit Längskomponente freie Position einzunehmen.
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Die ersten Sensoren 6 können in einer festen geometrischen Konfiguration in Bezug auf das Lagersystem 3 positioniert sein oder sie können beweglich sein mithilfe einer geeigneten motorisierten linearen Führung 8, die eine Verschiebung der Sensoren parallel zum Stab ermöglicht.
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Der Apparat zum Messen umfasst ferner eine Zentralsteuereinheit 9, ausgestattet mit einem Datenerfassungs- und -verarbeitungsmodul 9', mit Erfassungsmitteln 10 zum Erfassen von mindestens einem physikalischen Parameter des Stabs und mit Speichermitteln 10' zum Speichern der erfassten physikalischen Parameter des Stabs. Vorteilhafterweise ermöglichen die Erfassungs- und Speichermittel das Erfassen und Speichern zumindest des Elastizitätsmoduls, auch genannt Youngscher Modul, des zu messenden Stabs.
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Das Datenerfassungs- und -verarbeitungsmodul 9' erfasst die Daten, die durch das erste Detektionssystem, das zweite Detektionssystem und die Erfassungsmittel erfasst wurden, und verarbeitet diese, um den etwaigen Geradheitsfehler des Stabs zu messen.
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Das erste Detektionssystem 5 zum Detektieren des Verlaufs der Längsachse 2' des Stabs 2 ist geeignet, die Koordinaten einer Vielzahl von Punkten P1, P2, ..., Pn der Staboberfläche an jedem von mindestens drei Querschnitten Z1, Z2, ..., Zn des Stabs zu erfassen, wie in 5 dargestellt. Zu diesem Zweck kann das erste Detektionssystem 5 mindestens einen der genannten ersten Sensoren 6 umfassen, vorzugsweise einen beweglichen optischen Sensor zum Erfassen der Koordinaten der Punkte auf der Staboberfläche an mindestens drei Querschnitten oder mindestens drei der besagten ersten Sensoren, von denen jeder ein optischer Sensor ist, und jeder dieser Sensoren an einem jeweiligen Querschnitt Z1, Z2, ... Zn angeordnet ist. Diese optischen Sensoren können stationär oder beweglich parallel zum Lagersystem des Stabs in Richtung der Stablängsachse angebracht sein.
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Wie in den Figuren dargestellt, kann jeder optische Sensor auf der gegenüberliegenden Seite des Stabs in Bezug auf das Lagersystem 3 positioniert sein, also oberhalb des Stabs und dem Stab zugewandt, wobei auch andere Konfigurationen nicht ausgeschlossen sind, in denen die Sensoren eine andere Position in Bezug auf das Lagersystem haben, solange sie dem Stab zugewandt sind. Vorzugsweise sind drei optische Sensoren 6 vorhanden, die jeweils parallel zum Lagersystem 3 beweglich sind, sodass die Koordinaten der Oberflächenpunkte einer Vielzahl von Querschnitten erfasst werden können.
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Die optischen Sensoren werden aus der Klasse der optischen Triangulationssysteme mit Laser- oder anderem Licht ausgewählt, oder ein beliebiger Messsensor, der in der Lage ist, das zwei- und/oder dreidimensionale geometrische Profil des Stabs zu erfassen, wie zum Beispiel Messsysteme mit Projektion von strukturiertem Licht, Time-of-Flight-Kameras oder stereoskopische Betrachtungssysteme usw.
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Wie bereits erwähnt, ist das erste Detektionssystem 5, das den Verlauf der Stablängsachse detektiert, mit mindestens einer linearen Führung 8 ausgestattet, an der mindestens ein optischer Sensor 6 fest angebracht ist. Vorzugsweise ist die Führung mittels geeigneter Motorisierungsmittel in einer Richtung verschiebbar, die im Wesentlichen parallel zur Längsrichtung des Stabs verläuft, sodass der optische Sensor 6 an aufeinanderfolgenden Querschnitten des Stabs positioniert wird. Vorzugsweise gibt es eine einzige lineare Führung 8, der ein einziger Sensor zugeordnet ist, oder der zwei oder mehr Sensoren zugeordnet sind, die in bestimmten Abständen und an bestimmten Positionen angeordnet sind. Alternativ dazu könnte für jeden optischen Sensor eine feste oder verschiebbare Führung vorgesehen werden.
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Die Zentralsteuereinheit 9 ist in der Lage, über ein erstes Schnittstellensystem 11 Daten mit den ersten Sensoren 6 und den zweiten Sensoren 7A des ersten Erkennungssystems 5 bzw. des zweiten Erkennungssystems auszutauschen, über ein zweites Schnittstellensystem 12 Daten mit dem Bediener und über ein mögliches drittes Schnittstellensystem 13 Daten mit der Stabproduktionsanlage - nicht dargestellt - auszutauschen.
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Die Erfassungsmittel 10 können eine Schnittstelle umfassen, die die Eingabe von Werten für mindestens einen physikalischen Parameter des Stabs und insbesondere den Wert des Youngschen Moduls des zu messenden Stabs ermöglicht. Diese Werte können von einem Benutzer über entsprechend vorbereitete Eingabemittel (nicht abgebildet) eingegeben oder direkt von der Stabproduktionsanlage empfangen werden, die der Apparat zum Messen aktualisiert, wenn sich in der Produktionsphase der Stabtyp ändert. Im ersten Fall kann die Schnittstelle mit dem zweiten Schnittstellensystem 12 übereinstimmen, während sie im zweiten Fall mit dem dritten Schnittstellensystem 13 übereinstimmen kann. Um den Vorgang im Fall der manuellen Eingabe zu erleichtern, können die Mittel zum Erfassen und Speichern auch Bibliotheken verschiedener Stabtypen mit allen erforderlichen physikalischen Parametern erfassen und speichern, sodass der Benutzer hieraus wählen kann, um die Einstellungen des zu messenden Stabs vorzunehmen.
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Alternativ oder zusätzlich zu den Erfassungsmitteln kann ein Detektionssystem 14 angeschlossen werden, das eine vorübergehende Verformung des Stabs bewirken kann. Insbesondere kann das Detektionssystem mindestens einen Aktuator 14' umfassen, um mindestens ein Lagerelement um bekannte Beträge vor oder nach dem Messzyklus des Stabs zu bewegen. Dadurch verändert sich der Abstand zwischen mindestens einem Lagerelement und einem anderen Lagerelement, wodurch vorübergehende Verformungen des Stababschnitts zwischen den beiden Lagerelementen bewirkt werden. Durch das Maß dieser vorübergehenden Verformungen bei unterschiedlichen Abständen lässt sich der Wert des Elastizitätsmoduls des zu messenden Stabs ableiten. Jede Stütze wird dann während des Messzyklus stationär gehalten.
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Nach einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsart kann das Detektionssystem so aufgebaut sein, dass es den Stab verformt, indem es beispielsweise eine Kraft auf einen Stababschnitt zwischen zwei benachbarten Lagerelementen ausübt, um den Stab um einen vorbestimmten Wert zu verformen, oder indem es eine bekannte Kraft ausübt. Der Elastizitätsmodul des Stabs wird durch Programmmittel auf der Grundlage der Verformungen berechnet, die durch die Anwendung einer bestimmten Kraft erzeugt werden, oder auf der Grundlage der Kraft, die angewendet wird, um eine vorher festgelegte Verformung zu erreichen.
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Das Messgerät 1 ist in seiner Gesamtheit so aufgebaut, dass es die Koordinaten der gemessenen Punkte, die gemessenen Kräfte und die erfassten physikalischen Parameter des Stabs verarbeitet, um Informationen über den Geradheitsfehler des Stabs zu gewinnen. Die Vorrichtung zum Messen ist ferner in der Lage, der Produktionsanlage dieses Ergebnis mitzuteilen, um gegebenenfalls Stäbe als Ausschuss auszuschleusen oder um bei den nachfolgenden Stäben Rückkopplungsschleifen zu steuern und/oder Bearbeitungssysteme zu steuern, die der Vorrichtung zum Messen gegebenenfalls nachgeschaltet sind, die darauf abzielen, den Stab auf der Grundlage des berechneten Fehlers zu begradigen.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Messen von Geradheitsfehlern von Stäben mithilfe der oben beschriebenen Vorrichtung 1.
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Jeder Messzyklus, der zum Messen eines Stabs durchgeführt wird, ist in dem Schema in 4 dargestellt und kann wie folgt beschrieben werden: Der Messzyklus beginnt mit dem Positionieren des Stabs 2 auf dem Lagersystem 3 und dem Erfassen von mindestens einem physikalischen Parameter des Stabs, woraufhin die Zentralsteuereinheit 9 alle erforderlichen Vorrichtungen steuert, insbesondere die ersten Sensoren 6 und die zweiten Sensoren 7A, um die dreidimensionale Geometrie des Stabs auf dem Lagersystem bzw. um die Kraftvektoren zu erfassen, die auf jedes Lagerelement 4 ausgeübt werden; die so erfassten und erkannten Messdaten werden von dem Datenerfassungs- und -verarbeitungsmodul 9' verarbeitet, um den Geradheitsfehler des Stabs zu berechnen und dieses Ergebnis an externe Systeme für die anschließenden Phasen zum Ausschleusen/Begradigen des erfassten Stabs zu übermitteln. Die Stufe zum Erfassen von mindestens einem physikalischen Parameter des Stabs könnte auch am Ende des Messzyklus oder sogar vor der Positionierung des Stabs erfolgen, sofern der physikalische Parameter über die Schnittstellenmittel eingegeben wurde.
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Konkret dienen die Daten zu den physikalischen Parametern des Stabs, zu den Kräften, die der Stab auf jedes Lagerelement ausübt, und zu dem dreidimensionalen geometrischen Verlauf des Stabs, die sich aus der Verarbeitung der Daten ergeben, die von den optischen Sensoren gesammelt werden, dazu, das geometrische Profil zu schätzen, das der Stab beim Messen ohne Vorhandensein der Verformungen infolge äußerer Begrenzungen aufweisen würde, also ohne auflagerbedingte Begrenzungen und ohne die Gewichtskraft, die durch die Eigenmasse des Stabs erzeugt wird. Das so geschätzte geometrische Profil wird dann zum Erkennen und Berechnen des Umfangs etwaiger Geradheitsfehler des zu messenden Stabs verwendet.
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Der Zyklus endet mit dem Entladen des Stabs aus dem Lagersystem, um gegebenenfalls mit einem Messzyklus eines nachfolgenden Stabs fortzufahren.
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Genauer gesagt erfolgt die Berechnung des Geradheitsfehlers des Stabs ausgehend von den geometrischen Daten jedes Querschnitts Z1, Z2, ..., Zn, insbesondere ausgehend von den Koordinaten der Punkte P1, P2, ..., Pn auf jedem dieser Querschnitte, die von dem ersten Detektionssystem 5 erfasst werden, von den Kraftvektoren, die von dem zweiten Detektionssystem 7 zum Detektieren der Kräfte, die auf den Stab wirken, erfasst werden, und von mindestens einem physikalischen Parameter des Stabs, der mithilfe der Erfassungsmittel 10 erfasst wird.
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Der eigentliche Berechnungsprozess erfolgt in drei Schritten:
- (i) Zunächst bestimmt die Berechnungseinheit die theoretische Verformung, die ein Stab annehmen würde, der im Vergleich zu dem zu messenden Stab dieselbe Größe und dieselben physikalischen/mechanischen Eigenschaften hat, und von dem zunächst angenommen wird, dass er vollkommen gerade ist, wenn er denselben Begrenzungen und demselben Kraftfeld ausgesetzt wäre wie der zu messende Stab; dieses Kraftfeld ist an diskreten Positionen bekannt, da es von den zweiten Sensoren 7A an allen Lagerelementen des Stabs gemessen wird. Sobald die physikalischen Parameter des Stabs und insbesondere sein Elastizitätsmodul bekannt sind, wird die Verformung auf den Stab bestimmt, indem die sogenannte „Gleichung der Biegelinie“ angewendet wird, die in den als „Bauwissenschaft“ bekannten Bereichen der Bauphysik bekannt und dokumentiert ist, und auf schlanke, verformbare Körper anwendbar ist, die Gegenstand der Erfindung sind. Der Begriff „schlanke Körper“ bezieht sich auf Körper, die dadurch gekennzeichnet sind, dass ihre Länge etwa sechsmal größer ist als ihr Durchmesser oder zumindest ihr Querschnitt;
- (ii) Anschließend subtrahiert die Zentralsteuereinheit 9 die theoretische Verformung, die im vorausgegangenen Schritt berechnet wurde, von der tatsächlichen Geometrie des Stabs, wie sie durch das erste Erfassungsmittel 5 gemessen wurde, und schätzt so die „freie Geometrie“ des Stabs, wobei unter „freier Geometrie“ des Stabs die Geometrie zu verstehen ist, die der Stab hätte, wenn keine äußeren Kräfte und somit insbesondere auch keine Schwerkraft einwirken würden. Das so erfolgte Schätzen der freien Geometrie des Stabs ist äußerst zuverlässig, da in den hier interessierenden praktischen Fällen die seitlichen Verformungen im Verhältnis zur Gesamtlänge des Stabs sehr klein sind. Dadurch lässt sich die Hypothese der Überlagerung von Effekten bei der Bestimmung der Gesamtverformung des Stabs präzise anwenden. Diese Hypothese sieht die Gesamtverformung als Überlagerung einer eigenen „freien Geometrie“ des Stabs, also der Geometrie, die der Stab ohne von außen einwirkende Kräfte annimmt und die möglicherweise durch seinen eigenen Geradheitsfehler beeinflusst wird, addiert zu der Verformung, die durch das auf den Stab aufgebrachte äußere Kraftfeld verursacht wird.
- (iii) Schließlich berechnet die Verarbeitungseinheit ausgehend von der im vorherigen Schritt geschätzten freien Stabgeometrie den tatsächlichen Geradheitsfehler, wobei je nach den unterschiedlichen Standards und/oder Vorschriften der verschiedenen Anwendungsbereiche unterschiedliche Berechnungsmethoden angewandt werden. Beispielsweise können die Koordinaten der Mitten C1, C2, ..., Cn in der X-Z-Ebene von 5 verwendet werden, um die maximale Abweichung der tatsächlichen Koordinaten der Mitten von der Interpolationsgeraden aufgrund der kleinsten Quadrate zu bestimmen, die durch alle Mittelpunkte definiert ist, die über die gesamte Länge des Stabs oder nur über einen oder mehrere Abschnitte des fraglichen Stabs ausgewertet werden, um eine lokale Nicht-Geradheit zu bestimmen, wie dies von einigen Industrienormen gefordert wird.
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Man kann jedoch verschiedene Methoden für die Berechnung des Geradheitsfehlers verwenden. Beispielsweise lässt sich dieser Fehler bestimmen, indem man anhand der Mitten einen theoretischen Kreisbogen interpoliert und dann einige Invarianten dieses Bogens bestimmt, wie zum Beispiel den maximalen Durchhang, der auf die Länge des Stabs oder auf das Quadrat der Länge des Stabs normiert ist, wie es in bestimmten Anwendungsbereichen, zum Beispiel im Bereich der Messingstäbe üblich ist.
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Sobald der Zyklus zur Berechnung des Geradheitsfehlers des Stabs abgeschlossen ist, ist die Zentralsteuereinheit so programmiert, dass sie die Stäbe nach der Größe dieses Fehlers eingestuft und diese gegebenenfalls auf der Grundlage von vordefinierten Fehlerschwellen aus dem Lagersystem auf verschiedene Beförderungslinien ausschleust.
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Vorteilhafterweise ist das erste Detektionssystem 5 in dem oben dargestellten ersten Berechnungsschritt in der Lage, dem Berechnungsmodell automatisch detaillierte Informationen über die Eigenschaften des zu messenden Stabs zu liefern, unter anderem über die tatsächliche Geometrie jedes einzelnen Querschnitts, seine Ausrichtung und Position in Bezug auf die auflagerbedingten Begrenzungen und die Gesamtlänge des Stabs.
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In dem zweiten Berechnungsschritt ist das Datenerfassungs- und -verarbeitungsmodul 9' vorteilhafterweise in der Lage, den Verlauf der Stablängsachse zu bestimmen, ausgehend von den gemessenen Koordinaten der Vielzahl von Messpunkten P1, P2, ..., Pn, die an jedem Messquerschnitt Z1, Z2, ..., Zn in Längsrichtung des Stabs gemessen wurden, eine Interpolation nach der Methode der kleinsten Quadrate mit einem Referenzmodell des Querschnitts des Stabs, im dargestellten Beispiel eines Umfangs, durchzuführen und so die Koordinaten Xc, Yc der Mitten C1, C2, ..., Cn jedes Querschnitts zu bestimmen. Die Anzahl der Querschnitte, die verwendet werden, kann von einem Minimum von drei bis zu einer höheren Anzahl variieren, um die Messgenauigkeit zu verbessern, insofern dies mit den verfügbaren Messzeiten je nach Produktionstakt der Stäbe vereinbar ist.
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6 zeigt ein Beispiel für die Positionen der Mitten C1, C2, ... Cn der Querschnitte, gemessen in einem kartesischen Bezugssystem X, Z, das mit dem Lagersystem verbunden ist. Insbesondere ist eine Art zum Berechnen des Fehlers gezeigt, mit der der Geradheitsfehler E als Abstand zwischen zwei parallelen Geraden berechnet wird, von denen eine Gerade R1, durch die Mitten von zwei Querschnitten und eine zweite Gerade R2 durch die Mitte eines dritten Querschnitts zwischen den beiden vorherigen Mitten verläuft.
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Diese Methode kann vorteilhaft zum Bestimmen des Verlaufs der Stablängsachse auch bei Stäben angewendet werden, die Querschnitte mit komplexer Geometrie und einen jedenfalls nicht kreisförmigen Querschnitt aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006138228 A1 [0007, 0008]
- JP S6171307 A [0008]
- EP 1447645 A1 [0009]
- EP 3093611 A2 [0010]
- US 2017284798 A1 [0012]
- JP 2005300298 A [0013]
